análise de desempenho de um sistema de ventilação natural de … · 2017. 5. 18. · consumida...

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRÁFICA, GEOFÍSICA E ENERGIA

Análise de desempenho de um sistema de ventilação natural de

uma creche

Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente

Gonçalo Nunes Simões

Dissertação orientada por:

Professor Doutor Guilherme Carrilho da Graça

Doutor Nuno M. Mateus

2016

Resumo

O tempo despendido pelo ser humano no interior de edifícios tem aumentado, bem como a

necessidade de uma boa qualidade do ar interior (QAI). Os sistemas de ventilação mecânica têm

sido a escolha prioritária para climatização, o que elevou drasticamente o consumo energético

nos edifícios na última década. A ventilação natural é uma solução passiva, capaz de responder

às necessidades de climatização e com baixos custos associados. Esta dissertação de mestrado

apresenta um conjunto de medições de sistemas de ventilação natural por deslocamento vertical

do ar (DV) em três escolas localizadas na zona urbana de Lisboa: duas creches e uma

universidade. As salas onde decorreram os ensaios possuem diferentes sistemas de ventilação

(com e sem chaminé). Os resultados experimentais foram utilizados para avaliar o desempenho

dos sistemas de ventilação natural e validar a capacidade do EnergyPlus para simular sistemas

DV, com um modelo de três-nós implementado no seu código. Os resultados da Creche Areeiro

revelam que o aumento da altura da chaminé, de 1m para 4m, diminui a temperatura interior da

sala. Os resultados obtidos demonstram também que o desempenho dos sistemas DV é

influenciado pelo número de plumas térmicas, que ao aumentar, conduz à diminuição da

temperatura interior. Por fim, um aumento da área da grelha de admissão leva a uma redução da

temperatura interior. A validação dos resultados demonstra que o EnergyPlus tem a capacidade

de prever a altura neutra, com um erro médio inferior a 12%. A ferramenta computacional

analisada determinou também o gradiente vertical de temperatura com um erro médio de 4%

(com um desvio médio de 0.7ºC). Apesar da complexidade dos casos analisados, sem controlo

das condições fronteira, a comparação entre os resultados medidos e simulados deve contribuir

para um aumento de confiança do uso da ferramenta computacional EnergyPlus, de modo a

simular sistemas de ventilação por deslocamento vertical de ar.

Palavras-Chave: ventilação natural, sistema de ventilação por deslocamento vertical de ar;

validação de EnergyPlus.

Abstract

The time that people spend indoors is increasing, as well as the need for good indoor air quality.

Therefore, mechanical ventilation systems have been the first choice for air conditioning, which

dramatically increased the energy consumption in buildings in the last decade. Natural

ventilation is a passive solution, capable of responding to the air conditionings needs and with

low associated costs. This master's thesis presents a set of measurements of natural

displacement ventilation (DV) systems driven by buoyancy in three schools located in the urban

area of Lisbon: two kindergartens and a university. The rooms, where took place the

measurements, have different ventilation systems (with and without thermal chimney). The

experimental results are used to analyze the performance of the installed natural ventilation

system and to validate the capabilities of EnergyPlus to simulate natural DV systems, with a

three-node DV model implemented on the thermal building software code. The experimental

results show that increasing the stack height, of 1m to 4m, lowers the inside air temperature.

The obtain results also demonstrate that natural DV systems performance is affected by the

number of thermal plumes, that increasing, leads to a lower inside air temperature. Lastly,

increase the inflow grille opening area leads to a reduction of the indoor air temperature. The

validation results reveal that EnergyPlus is able to predict neutral height with an average error

below 12%. Also proved to be capable to predict the vertical air temperature, with an average

error of 4% (0.7ºC). Despite the complexity of the cases studied, without control of boundary

conditions, the comparison between measured and simulated results should contribute to

increase confidence of using EnergyPlus, to simulate natural DV driven by buoyancy.

Keywords: natural ventilation; displacement ventilation; thermal chimney; EnergyPlus.

Análise de desempenho de um sistema de ventilação natural de uma creche

Gonçalo Nunes Simões v

Índice

Resumo .............................................................................................................................................. iii

Abstract ............................................................................................................................................. iv

Índice de Figuras ............................................................................................................................... vi

Índice de Tabelas .............................................................................................................................. vii

Agradecimentos ............................................................................................................................... viii

Simbologia e Notações ...................................................................................................................... ix

Capítulo 1 – Introdução ..................................................................................................................... 10

1.1. Estrutura e Objetivos ......................................................................................................... 11

Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica ................................................................................................... 12

Capítulo 3 – Fundamentos Teóricos .................................................................................................. 14

3.1. Transferência de calor ....................................................................................................... 14

3.2. Balanço térmico de Edifícios ............................................................................................ 16

3.3. Ventilação Natural............................................................................................................. 17

3.4. Simulação Térmica Dinâmica ........................................................................................... 21

3.4.1. EnergyPlus ............................................................................................................... 21

3.5. Simulação Dinâmica de Fluídos ........................................................................................ 23

3.5.1. PHOENICS .............................................................................................................. 23

Capítulo 4 – Casos de Estudo ............................................................................................................ 25

4.1. Creche Areeiro .................................................................................................................. 25

4.2. Universidade de Lisboa ..................................................................................................... 27

4.3. Creche Telheiras ................................................................................................................ 29

4.4. Determinação da Emissividade dos Cilindros ................................................................... 30

4.5. Monitorização dos Edifícios .............................................................................................. 31

4.6. Configurações das Medições ............................................................................................. 33

Capítulo 5 – Resultados Experimentais ............................................................................................ 34

5.1. Creche Areeiro .................................................................................................................. 34

5.2. Creche Telheiras ................................................................................................................ 36

Capítulo 6 – Simulação Dinâmica - EnergyPlus ............................................................................... 38

6.1. Modelo DV de três-nós .......................................................................................................... 40

6.2. Determinação do Coeficiente de descarga ........................................................................ 42

Capítulo 7 – Validação dos Resultados ............................................................................................. 45

7.1 Análise do Impacto do Coeficiente de Descarga ..................................................................... 48

Capítulo 8 – Conclusões .................................................................................................................... 49

Referências Bibliográficas ................................................................................................................ 51


vi Gonçalo Nunes Simões

Índice de Figuras

Figura 1: Mecanismos de transferência de calor – Adaptado de Incropera (2011) [35] .................. 14 Figura 2: Balanço térmico de um edifício - Adaptado de Mateus (2012) [56] ................................ 16 Figura 3: Esquema do arrefecimento noturno – Adaptado de AUTODESK SUSTAINABILITY

WORKSHOP [] ................................................................................................................................ 18 Figura 4: Esquema de ventilação natural – Adaptado de Linden (1999) [54] .................................. 19 Figura 5: Etapas de simulação em EnergyPlus - Adaptado de Mateus (2012) [] ............................. 23 Figura 6: Vista interior, exterior configuração do sistema de medição da creche do Areeiro ......... 25 Figura 7: Esquema das medições efetuadas na Creche Areeiro ....................................................... 27 Figura 8: Vista aérea e interior da sala de aula da Universidade de Lisboa ..................................... 28 Figura 9: Esquema das medições efetuadas na Universidade de Lisboa .......................................... 29 Figura 10: Vista do pátio, interior e grelha de admissão da creche Telheiras .................................. 29 Figura 11: Impacto do A* na temperatura interior e na altura neutra .............................................. 34 Figura 12: Impacto do número de plumas na temperatura interior e na altura neutra ...................... 35 Figura 13: Impacto da altura da chaminé na temperatura interior .................................................... 35 Figura 14: Resultados de duas semanas de medição na creche Telheiras ........................................ 36 Figura 15: Resultados de um mês de medição na creche Telheiras ................................................. 37 Figura 16: Zona térmica e respetivo modelo geométrico da Creche Areeiro ................................... 38 Figura 17: Zona térmica e respetivo modelo geométrico da Universidade de Lisboa. .................... 39 Figura 18: Modelo DV de três-nós ................................................................................................... 40 Figura 19: Difusor – geometria e resultados CFD ........................................................................... 42 Figura 20: Chaminé - geometria e resultados ................................................................................... 43 Figura 21: Resultados da altura neutra e da taxa de renovação de ar: comparação entre medido e

simulado ........................................................................................................................................... 46 Figura 22: Resultados e comparação da temperatura nos três nós ................................................... 47


Gonçalo Nunes Simões vii

Índice de Tabelas

Tabela 1: Referências associadas à validação de modelos de ventilação natural ............................. 13 Tabela 2: Propriedades dos materiais construtivos da Creche Areeiro ............................................ 26 Tabela 3: Propriedades dos materiais construtivos da Universidade de Lisboa ............................... 28 Tabela 4: Especificações dos instrumentos de medição utilizados .................................................. 32 Tabela 5: Casos CA e UL ................................................................................................................. 33 Tabela 6: Análise da grid para determinação do coeficiente de descarga ........................................ 44 Tabela 7: Comparação entre caudal medido e simulado .................................................................. 45 Tabela 8: Comparação entre altura neutra medida e simulada ......................................................... 46 Tabela 9: Comparação entre nós de temperatura medidos e simulados ........................................... 47 Tabela 10: Análise do impacto do coeficiente de descarga no modelo DV de três-nós ................... 48


viii Gonçalo Nunes Simões

Agradecimentos

Em primeiro lugar gostaria de agradecer aos meus pais, Paula e João, e ao meu irmão, Ricardo.

Estiveram presentes em toda a minha vida e são uma inspiração diária.

À minha restante família pela presença constante durante todo o percurso académico.

Gostaria de agradecer ao meu orientador, Guilherme Carrilho da Graça, por toda a sabedoria e

conhecimento transmitidos, pelas opiniões e críticas e, sobretudo, pela sua disponibilidade e

colaboração para solucionar problemas e questões que surgiram ao longo desta dissertação.

Ao meu coorientador, Nuno Mateus, por todo o apoio e motivação ao longo deste trabalho. Sem

dúvida, uma enorme ajuda. Um grande obrigado!

Aos meus amigos Inês Santos, Marta Chaves, Rafael Barreira, Carina Ferreira, Joana Raquel e João

Pedro por todo o acompanhamento durante todos estes anos, não só a nível académico, mas

sobretudo a nível pessoal.

Agradeço aos meus amigos de faculdade, André Caldeira, Francisco Pereira e Filipe Fonseca com

quem partilhei momentos inesquecíveis nestes cincos anos. Queria também deixar um

agradecimento especial à Sara Marcelo, Patrícia Manteiga, Vera Reis e Susana Rodrigues.

Agradeço à Filipa Silva, Daniel Albuquerque, João Francisco e Cristiano Lúcio pela amizade e

companheirismo durante estes meses.

Um obrigado à Ana Rita Martins por todos os conselhos, enorme compreensão e especialmente

pela presença nos momentos mais marcantes.


Gonçalo Nunes Simões ix

Simbologia e Notações

SS Single Sided

CV Ventilação cruzada

DV Ventilação natural por deslocamento vertical de ar

DSF Fachada de dupla pele

CFD Computação dinâmica de fluidos

QAI Qualidade do ar interior

NZEB Nearly Zero Energy Buildings

AVAC Aquecimento, ventilação e ar condicionado


10 Gonçalo Nunes Simões

Capítulo 1 – Introdução

Atualmente, o setor dos edifícios é responsável por cerca de 40% da energia primária consumida na

Europa [1] e nos Estados Unidos da América [2]. As previsões indicam que estes valores

continuem a aumentar [3]. Estes dados, aliados ao facto de as pessoas despenderem mais de 90%

do seu tempo em ambientes interiores [4], conduzem a um aumento significativo da energia

consumida (cerca de 50%), associada a sistemas de aquecimento, ventilação e ar condicionado

(AVAC). [5]. Neste contexto, os sistemas de ventilação natural podem ser uma ferramenta

essencial para limitar o consumo energético e atingir as metas dos Nearly Zero Energy Buildings

(NZEB) [6].

A ventilação natural, além de ter a capacidade de reduzir as necessidades de climatização, promove

uma melhor qualidade do ar interior (QAI) [7]. Geralmente, a QAI é negligenciada e os baixos

níveis de ventilação resultam em níveis altos de concentração de poluentes [8]. As crianças têm

maior suscetibilidade a vários poluentes, quando comparadas a adultos, dado que estas respiram

maiores quantidades de ar relativamente ao seu peso corporal [9][10].

As salas de aula são o local onde as crianças despendem mais tempo [11] e muitas vezes possuem

má qualidade de ar interior devido à insuficiente renovação de ar [12,13]. Vários estudos associam

este facto à redução das capacidades de aprendizagem dos alunos [14,15]. Para lidar com este

problema, várias entidades (ASHRAE e CEN) recomendam um caudal mínimo de ar novo de 7-8l/s

por ocupante [16,66] e uma média de concentração de CO2 inferior a 1625ppm durante as últimas

oito horas [58]. Para alcançar caudais de ventilação desta magnitude com sistemas de ventilação

mecânica, a energia consumida irá aumentar e várias instituições escolares possuírem um

orçamento limitado. Portanto, os sistemas de ventilação natural são uma boa alternativa e não têm

custos associados. No entanto, dimensionar estes sistemas em escolas é uma tarefa difícil devido ao

uso intenso dos espaços e à dependência do clima.

O desempenho de sistemas de ventilação natural em escolas pode ser avaliado através de

simulações térmicas, medições ou questionários. Em 2004, um inquérito realizado em duas escolas

[17] conclui que, ao utilizar ventilação natural, os ocupantes têm maior tolerância a temperaturas

interiores mais elevadas. Um estudo recente confirmou também que os alunos podem ter um bom

desempenho escolar independentemente do sistema de ventilação instalado [18]. Em 2008, um

grande estudo de CO2, analisou 62 salas de aula [19] e mostrou que, grande parte do tempo, as

renovações de ar novo eram inferiores aos valores mínimos recomendados. Como esperado, em

sistemas de ventilação natural, a concentração de CO2 é maior quando as janelas estão fechadas.

Esta situação foi também verificada por outros autores [20], sobretudo no Inverno, quando a

temperatura exterior não permite abrir as janelas devido ao desconforto térmico. É então

consensual que a abertura das janelas está mais relacionada com a temperatura do que com os

problemas de qualidade de ar interior [21].

Grande parte das escolas estão localizadas em centros urbanos, devido à maior concentração da

população nas cidades. Como tal, utilizar sistemas de ventilação natural através do vento é uma

tarefa difícil derivado das baixas velocidades do vento que caracterizam estes locais. Por

conseguinte, os projetistas dimensionam estes sistemas utilizando uma diferença de temperatura

entre o interior e o exterior de pelo menos 2-3ºC. Este requesito não recomenda a utilização destes

sistemas com temperaturas exteriores acima de 25ºC. Para aumentar a diferença de temperatura


Gonçalo Nunes Simões 11

pode recorrer-se à instalação de chaminés, que aumentam a distância entre a entrada e a saída do ar

e, naturalmente, diminuem a temperatura interior [54,22].

1.1. Estrutura e Objetivos

Esta dissertação de mestrado apresenta um conjunto de procedimentos e de resultados obtidos de

dois sistemas de ventilação natural por deslocamento vertical de ar (DV). As medições ocorreram

em três escolas distintas e foi feita a simulação térmica correspondente (apenas em duas escolas).

Desta forma, esta tese tem como principais objetivos:

Analisar a capacidade do EnergyPlus para simular sistemas DV, com o modelo DV de três-

nós [23] implementado no seu código;

Avaliar o desempenho de dois sistemas de ventilação natural por deslocamento vertical de

ar, determinando os parâmetros relevantes que definem este sistema.

O presente documento encontra-se estruturado do seguinte modo:

No capítulo 2 é feita uma revisão bibliográfica do trabalho existente, onde se apresenta um

levantamento dos estudos de validação de modelos de ventilação natural, as ferramentas utilizadas

e os erros associados.

No capítulo 3 introduzem-se os fundamentos teóricos e os conceitos necessários à compreensão do

tema estudado. É feita uma descrição do comportamento térmico de edifícios e são apresentados os

principais mecanismos de ventilação natural, dando ênfase à ventilação por deslocamento vertical

de ar. São ainda apresentados os softwares de simulação utilizados ao longo deste trabalho.

No capítulo 4 são apresentados os casos de estudo, nomeadamente as salas onde se efetuaram os

ensaios práticos. Na secção 4.4 é descrito o procedimento experimental para determinação da

emissividade de simuladores utlizados nos ensaios. Nas secções 4.5 e 4.6 são descritos os

procedimentos utilizados e ainda as configurações de medição.

No capítulo 5 mostram-se os resultados experimentais e a sua discussão.

No capítulo 6 são descritas as simulações térmicas. Na secção 6.1 é apresentado o modelo DV de

três-nós introduzido na ferramenta de simulação. A determinação do coeficiente de descarga está

descrita na secção 6.2.

No capítulo 7 é feita a comparação entre os resultados medidos e os simulados, com o objetivo de

validar o EnergyPlus. Na secção 7.1 é feita uma análise da influência do coeficiente de descarga

nos resultados, comparando valores tabelados com valores obtidos na simulação.



Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica

A validação de modelos de ventilação natural requer múltiplos instrumentos de medição e diversos

sensores para monitorizar fatores como a temperatura, os ganhos internos, a concentração de CO2 e

a velocidade do ar. Em muitos casos, a necessidade de controlar as condições fronteira leva ao uso

de células teste com envolvente adiabática. Os sistemas de ventilação natural dependem em grande

parte das condições fronteira e das condições atmosféricas exteriores, o que requer, em muitos

casos, ensaios em edifícios reais. Infelizmente, medições detalhadas em edifícios reais são raras

porque a dificuldade de controlar e medir as condições fronteira é elevada. Como resultado, existe

um número limitado de estudos de validação de sistemas de ventilação natural.

A Tabela 1 apresenta um sumário de vários estudos de validação de sistemas de ventilação natural.

Diversos estudos incidem em fachadas de dupla pele (DSF). A complexidade desta solução faz

com que o uso de simulações de computação da dinâmica de fluidos (CFD) seja uma abordagem

recorrente. Nos estudos de validação de CFD baseados em células teste expostas às condições

meteorológicas [25,27], o calor transferido pela envolvente tem um impacto significativo nos

resultados. Para melhorar os resultados é importante utilizar a função low-Reynolds [24], que

implica um dispêndio excessivo de tempo nas simulações. Para além disso, avaliar o impacto de

DSF no consumo energético de edifícios requer um ano inteiro de simulações, o que muitas vezes

apenas pode ser feito num curto período de tempo. Para isso recorre-se a ferramentas de simulação

térmica. Os estudos de validação de fachadas de dupla pele que utilizam EnergyPlus concluem que

a qualidade dos dados meteorológicos inseridos no programa e as incertezas relacionadas com a

modelação do caudal são as potenciais causas das discrepâncias entre resultados medidos e

simulados [31,32].

Os estudos de validação baseados em mecanismos de ventilação natural induzidos pelo vento

[26,29,30] tendem a mostrar maiores variações entre os resultados obtidos e os simulados. Parte

destas diferenças podem ser atribuídas à dificuldade em medir os parâmetros do vento no local.

Nos sistemas de ventilação cruzada este impacto é maior [34]. Idealmente, os sensores de

velocidade e direção do vento deviam ser instalados o mais perto possível do edifício.

Para os casos apresentados na Tabela 1, a abordagem mais comum é a utilização de modelos nodais

baseada no software de simulação térmica EnergyPlus. Os erros máximos das simulações CFD são

comparáveis com as restantes aproximações. Uma maior complexidade da simulação CFD não se

traduz em erros menores de simulação, mas permite fazer uma análise mais detalhada. No geral, os

resultados apresentados na Tabela 1 revelam um rigor aceitável para simulações: o erro médio de

todos os modelos avaliados é de 1.2ºC, que varia entre 0.3ºC e 2.9ºC, enquanto que a média para o

erro máximo é de 6.6ºC. Vários casos presentes na Tabela 1 revelam dificuldade em conhecer o uso

das portas e janelas, o que leva a resultados inconclusivos.



Tabela 1: Referências associadas à validação de modelos de ventilação natural

Referência

Tipo de

edifício

Mecanismo

s de

ventilação

Configuração

do sistema

Ferramenta

de simulação

Erro (ºC)

Médio Erro

máximo

Z. Zeng, et al.

[25] Célula teste

Efeito

térmico e

vento

DSF CFD - 2.0

Y. Wang, et

al.[26] Sala aula

Efeito

térmico e

vento

DV CFD - 1.2

I.Khalifa, et

al.[27] Célula teste

Efeito

térmico e

vento

DSF

TRNSYS&

CONTAM

(nodal+CFD)

- 3.0

F.R. Mazarrón,

et al.[28] Adega

Efeito

térmico Chaminé

EnergyPlus

(nodal) 0.3 -

Z. Zhai, et

al.[29] Escritório

Efeito

térmico e

vento

Chaminé EnergyPlus

(nodal) - 3.3

Taleghani, et

al.[30] Apartamento

Efeito

térmico e

vento

SS EnergyPlus

(nodal) 0.9 1.1

Mateus, et

al.[31] Célula teste

Efeito

térmico DSF

EnergyPlus

(nodal) 1.4 2.5

D. Kim, et al.

[32] Célula teste

Efeito

térmico e

vento

DSF EnergyPlus

(nodal) 2.9 21.9

C. J. Koinakis,

et al. [33] Apartamento

Efeito

térmico e

vento

SS & CV Custom

(nodal) 0.5 1.0

E.H. Mathews,

et al. [34] Estábulo

Efeito

térmico e

vento

CV

Custom

(electrical

analogy)

- 1.2

Média 1.2 6.6



Capítulo 3 – Fundamentos Teóricos

Neste capítulo são introduzidos os conceitos teóricos necessários à compreensão desta dissertação.

Vão ser apresentados fundamentos de transferência de calor em edifícios, bem como o seu

comportamento térmico. Também vão ser discutidos conceitos de ventilação natural e por fim vai

ser feita uma caracterização das ferramentas computacionais utilizadas.

3.1. Transferência de calor

A transferência de calor é um dos principais fatores do balanço térmico de um edifico e é

fundamental compreender este princípio físico. O fenómeno de transferência de calor ocorre

sempre que existe diferença de temperatura entre dois elementos [35]. Esta dá-se no sentido do

meio mais quente para o mais frio. Quando os dois corpos se encontram à mesma temperatura

atinge-se o equilíbrio térmico. Existem três processos diferentes de transferência de calor (Figura

1), sendo eles: condução, convecção e radiação.

Figura 1: Mecanismos de transferência de calor – Adaptado de Incropera (2011) [35]

A transferência de calor por condução dá-se através da transferência de energia cinética a nível

molecular em sólidos, líquidos e gases. Nos líquidos e nos sólidos não condutores elétricos, a

condução ocorre devido às oscilações longitudinais da estrutura. Nos metais, a condução dá-se

devido ao movimento de translação de eletrões livres. Por fim, a transferência de calor por

condução nos gases efetua-se devido à colisão elástica das moléculas.

O fluxo de calor transferido por condução é dado pela lei de Fourier:

q''x=-kdT

dx (1)

Onde:

q''x – Fluxo de calor por condução [W/m2]



k – Condutividade térmica do material [W/m.K]

dT

dx – Gradiente de temperatura [K/m]

O mecanismo de transferência de calor por convecção tem como base a transferência de energia

por condução molecular e por movimentação de sólidos, fluidos e gases. Este processo ocorre na

transmissão de calor entre um objeto e o ar adjacente ou entre dois meios com diferentes

temperaturas. Este mecanismo é proporcional à velocidade de movimentação do fluido e pode-se

distinguir entre: convecção natural, onde o movimento do fluido é gerado pelas diferenças de

pressão e diferenças de temperatura; e convecção forçada, quando o movimento do fluido é

causado por fontes externas.

O fluxo de calor por convecção é dado pela seguinte equação:

q''conv=hc(TS-T∞) (2)

Onde:

q''conv – Fluxo de calor por convecção [W/m2]

hc – Coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m2K]

TS – Temperatura da superfície [K]

T∞ - Temperatura do fluido exterior à camada limite [K]

Por fim, a transferência de calor por radiação consiste na emissão de fotões por um corpo com

temperatura superior ao zero absoluto (0K). Este mecanismo de transmissão de calor dá-se quando

existe uma superfície e um meio com diferentes temperaturas e ocorre devido à vibração das

moléculas, emitindo radiação através do espaço.

O calor emitido por um corpo varia consoante a sua emissividade e é expresso pela seguinte

equação:

qrad=AsεσTs4 (3)

Onde:

As – Área da superfície do corpo 1 [m2]

ε – Emissividade do corpo

σ – Constante de Stefan-Boltzmann, 5.67×10-8 [W/m2.K]

Ts – Temperatura do corpo [K]



Sendo a troca de radiação entre dois corpos expressa por:

qrad=Ashr(T1-Tsur) (4)

Onde:

hr – Coeficiente de transferência de calor por radiação [W/m2.K]

T1 – Temperatura do corpo 1 [K]

Tsur – Temperatura ambiente [K]

3.2. Balanço térmico de Edifícios

Depois de apresentados os vários mecanismos de transferência de calor, é agora necessário

compreender a sua influência e a forma como atuam no comportamento térmico dos edifícios. O

balanço térmico de um edifício conta ainda com algumas variáveis adicionais:

Ganhos internos, resultantes da iluminação utilizada nos diferentes compartimentos, dos

equipamentos elétricos e da atividade dos ocupantes;

Ganhos solares, consequentes da incidência, direta e indireta, de radiação solar na

envolvente exterior do edifício;

Ganhos de climatização representam a energia despendida para aquecimento ou

arrefecimento do ar interior;

Ganhos de ventilação, resultantes da ventilação e/ou infiltração do ar exterior;

Perdas pela envolvente, que engloba todas as perdas térmicas através de paredes, janelas,

cobertura etc.

Este balanço energético está representado na Figura 2.

Figura 2: Balanço térmico de um edifício - Adaptado de Mateus (2012) [56]



Logo, o balanço térmico pode ser descrito pela equação 5:

Gi+Gs+Gv+Gc=ρcpVs∆T

δt+ ∑ (Ti-Te)AnUn

kn=1 (5)

Onde:

Gi – Ganhos internos [W]

Gs = AvFs(Rdir cos(AT) cos(AZ) +Ffj-cRdif)Cc – Ganhos solares [W]

Gv = ρcpV(Text-Tint) – Ganhos de ventilação [W]

Gc = ρcpV(Tins-Tint) – Ganhos de climatização [W]

ρcpVs∆T

δt – Energia armazenada no ar interior [W]

∑ (Ti-Te)AnUnkn=1 – Perdas através da envolvente [W]

E:

ρ – Densidade [kg/m3]

cp – Calor específico [J/Kg.K]

Vs – Volume [m3]

∆T

δt – Variação da temperatura no tempo [K/s]

Ti – Temperatura interior [ºC]

Te – Temperatura exterior [ºC]

An – Área da superfície n [m2]

Un – Coeficiente de transmissão térmica da

superfície n [W/m2.K]

Av – Área do vão envidraçado [m2]

Fs – Factor solar

Rdir – Radiação direta

AT – Altura solar

AZ – Azimute solar

Ffj-c – Fator solar entre céu e vão envidraçado

Rdif – Radiação difusa

Cc – Fator de transferência de calor sensível

�� – Caudal do fluido [m3/s]

Tins – Temperatura de insuflação do ar [ºC]

3.3. Ventilação Natural

A ventilação natural é o processo de renovação de ar recorrendo apenas a meios naturais (janelas,

chaminés térmicas, grelhas de admissão de ar, etc), ou seja, sem utilizar sistemas mecânicos.

Este tipo de ventilação tem origem no efeito do vento, no efeito térmico ou numa combinação dos

dois mecanismos. No primeiro caso, o efeito do vento nos edifícios é influenciado pela forma do

mesmo e pela proximidade de outros edifícios, ou seja, o vento cria diferentes pressões,

dependendo do seu local de incidência. Por outro lado, o efeito térmico tem origem na diferença de

temperaturas entre o ar interior e o ar exterior, ou entre dois espaços no interior do edifício, o que



se traduz numa diferença de densidades do ar. Portanto, o ar mais frio tende a entrar no edifício

pelos níveis inferiores, enquanto o ar quente, menos denso, tende a subir e a ser extraído pelos

níveis mais elevados.

Uma das grandes funcionalidades da ventilação natural é o arrefecimento noturno. Este fenómeno

utiliza as baixas temperaturas noturnas e a fraca ocupação do edifício durante este período para

reduzir a temperatura do ar interior [36]. Este mecanismo passivo de ventilação tem assim como

objetivos remover o excesso de calor e poluentes e reduzir a temperatura durante o início do

período de ocupação (Figura 3). O arrefecimento noturno, aliado a uma boa inércia térmica, reduz

também as temperaturas de pico durante as horas mais quentes do dia [37]. Este sistema, em termos

arquitetónicos, não tem nenhum impacto visível no design e na fachada do edifício [38].

Figura 3: Esquema do arrefecimento noturno – Adaptado de AUTODESK SUSTAINABILITY WORKSHOP [39]

Existem essencialmente três sistemas de ventilação natural: single-sided (SS), ventilação cruzada

(CV) e ventilação natural por deslocamento vertical de ar (DV). SS e CV são mecanismos que

utilizam maioritariamente a pressão do vento e a forma do edifício para introduzir ar novo através

de uma ou várias aberturas na fachada. SS é o mecanismo de ventilação natural mais comum e mais

fácil de implementar nos edifícios, pois utiliza apenas aberturas numa fachada, e é ainda afetada

pelo efeito térmico que pode promover caudais bidirecionais [40]. Por outro lado, CV utiliza

aberturas em diferentes fachadas, o que pode induzir caudais de maiores magnitudes [41].

Esta dissertação concentra-se na análise de sistemas DV, onde o único mecanismo é o efeito

térmico, gerado através de fontes de calor internas e de ganhos solares [42]. Este tipo de ventilação

natural teve origem na década de ‘80 nos países Nórdicos Europeus [43], onde inicialmente era



utilizado em instalações industriais. Este sistema tornou-se popular nos Estados Unidos da América

e desde então o seu comércio tem tido uma grande evolução, sendo este instalado principalmente

em edifícios e salas de serviços.

Nos sistemas DV, a diferença de temperaturas entre o interior e o exterior promove a diferença de

densidades do ar. Quando a temperatura interior é superior à temperatura exterior, a densidade do

ar interior é menor, promovendo a entrada de ar exterior no edifício. Deste modo, o ar é introduzido

na sala ao nível do pavimento a baixa velocidade. Este ar novo distribui-se naturalmente por todo o

pavimento até atingir uma fonte de calor, onde, devido ao efeito térmico, sobe em forma de pluma

térmica. Os primeiros estudos científicos sobre o tema mostram que os sistemas DV apresentam

um ambiente estratificado [44][45] (Figura 4), contrariamente aos sistemas de ventilação mecânica,

onde a temperatura interior é uniformemente distribuída por toda a sala, criando um ambiente

misturado. Com a necessidade de melhorar o desempenho deste sistema, Linden et al. [46]

desenvolveu um modelo DV complexo onde são consideradas duas camadas de ar. O ponto que

separa estas duas camadas (zona ocupada e camada misturada) é designado como altura neutra

[47]. Este ponto é onde o caudal produzido pelas plumas térmicas é equivalente ao caudal de

entrada no edifício. As maiores variações dos perfis de temperatura e CO2 ocorrem entre o

pavimento a altura neutra [72][48]. Acima desta altura, o ar que sobe proveniente das plumas

recircula e cria uma camada de ar misturada com temperatura uniforme e uma elevada

concentração de poluentes, que devem ser mantidos acima da cabeça dos ocupantes [49]. Para

remover estes contaminantes o uso de chaminés térmicas é cada vez mais popular, visto que estas

aumentam a distância entre a entrada e saída do ar, promovendo desta forma um aumento de caudal

[50]. Prever e controlar a altura neutra é um dos maiores desafios quando se projeta um sistema

deste tipo.

Figura 4: Esquema de ventilação natural – Adaptado de Linden (1999) [54]

No caso de células teste adiabáticas, como o caso estudado por Brohus et al. [51], a altura neutra

nos perfis verticais de temperatura e CO2 é similar, porque o alto nível de isolamento presente na

envolvente da célula teste minimiza as perturbações no perfil de temperatura causadas pelas trocas

de calor entre o ar e as superfícies. Nesta dissertação os ensaios decorreram num edifício real, e,

naturalmente, existem trocas radiativas entre as superfícies em todas as camadas da sala. Isto

dificulta a identificação da altura neutra no perfil de temperatura [52]. O perfil da concentração de



CO2 não é afetado pelas trocas de calor, permitindo uma identificação visual mais clara da posição

da altura neutra mesmo em edifícios reais [53].

Inicialmente, a solução proposta por Morton et al. [47] para determinar a variação vertical da altura

neutra tinha como base a seguinte equação:

F=6

5α

4

3 √9

10

3π

2

3 √gβW

ρCph53

(6)

Onde:

F – Caudal de entrada [m3/s]

α – Constante entrainment do fluido [47], 0.13

W – Ganhos convectivos [W]

β – Coeficiente de expansão térmica [K-1]

ρ – Densidade [Kg/m3]

Cp – Calor específico [J/Kg.K]

h – Altura neutra [m]

Para o cálculo da altura neutra (h) utilizou-se a seguinte expressão [23]:

h=23.95 √F3

W

5

(7)

Quando existe mais que uma pluma térmica (n) [23]:

h=23.95 √F3

W n3

5

(8)

Onde:

n – Número de plumas térmicas

Para simplificar a análise de ventilação natural por deslocamento vertical de ar, utilizou-se o

conceito de área efetiva de abertura, A* [54]. Para casos mais simples, salas com duas aberturas,

esta área corresponde à área efetiva de ambas as aberturas. Esta é descrita pela equação 9:

A*=Cdatab

[1

2(

Cd2

cat

2+ab2)]

12

(9)

Onde:

Cd – Coeficiente de descarga



at – Área da abertura superior [m2]

ab – Área da abertura inferior [m2]

c – Coeficiente de perda de carga

O caudal de entrada resultante pode ser determinado através da equação 10:

F=A*[g'(H-h)]1

2 (10)

Onde:

g’ – Efeito térmico

H – Pé direito [m]

Pela análise das equações introduzidas neste capítulo verifica-se que os sistemas DV dependem de

várias condicionantes: número de plumas, área efetiva de abertura e altura da chaminé térmica. No

primeiro caso reduzir o número de plumas significa, teoricamente, um aumento da altura neutra.

Para a área de abertura, aumentar este valor (maior A*) conduz também a um incremento do

caudal, que, consequentemente, eleva a posição da altura neutra, por aumentar o ponto onde o

caudal de entrada iguala o caudal produzido pelas plumas térmicas. Por fim, um aumento da

chaminé traduz-se, teoricamente, num maior caudal de ar, que, por sua vez, aumenta a altura

neutra.

3.4. Simulação Térmica Dinâmica

Nos últimos anos, o uso de ferramentas de simulação térmica em edifícios tem aumentado

significativamente, dado que muitos regulamentos térmicos exigem, em alguns casos, simulação

térmica para edifícios novos ou grandes intervenções. Estes programas permitem estimar o

comportamento térmico do edifício em estudo num período temporal definido pelo utilizador.

Desta forma, é possível ter uma perceção dos seus consumos de energia e, consequentemente,

apurar as eventuais medidas a aplicar.

Nesta dissertação foi utilizado o EnergyPlus como software de simulação térmica, com o objetivo

de examinar a capacidade desta ferramenta computacional para modelar sistemas DV.

3.4.1. EnergyPlus

A versão do EnergyPlus utilizada ao longo desta dissertação é a 8.3.0. Este software, que é

desenvolvido numa metodologia “open-source” (permite melhorias por parte de utilizadores



independentes), foi criado nos anos ‘80 pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos da

América (DOE) e tem como principal objetivo a análise energética e térmica de edifícios. Este

programa tem como base outros dois programas: DOE-2 e BLAST (Building Loads Analysis and

System Thermodynamics) [55]. A primeira versão do EnergyPlus foi lançada em 2001 e, desde

então, tem sofrido constantes melhoramentos.

Para efetuar uma simulação dinâmica, o utilizador tem de fornecer ao programa diversas variáveis

de input. Em primeiro lugar, é feita a geometria do edifício, utilizando um programa de desenho.

Nesta dissertação a geometria foi realizada no Google SketchUp, mas existem vários softwares. De

seguida a geometria é exportada para o EnergyPlus através do plugin Open Studio. Este plugin

permite a constante alteração do modelo geométrico e do ficheiro de simulação. Posteriormente

insere-se um ficheiro climático no programa referente à localização do edifício e definem-se as

características principais do sistema, tais como: localização, horários, construção e materiais,

sombreamentos, ocupação, iluminação, infiltração, sistemas de ventilação natural e/ou mecânica,

entre outras.

A simulação dinâmica divide-se em três fases e os resultados dos processos anteriores vão servir

como inputs dos processos seguintes, simplificando a análise térmica do edifício (Figura 5). A

simulação inicia-se com a simulação do balanço energético, onde o programa calcula as condições

de todas as zonas térmicas. De seguida, são determinadas as cargas de aquecimento e arrefecimento

no intervalo de tempo definido pelo utilizador. Por fim, estes resultados servirão para atualizar as

condições térmicas de cada zona. Assim, o EnergyPlus calcula o balanço térmico, a cada timestep,

para uma zona z através da equação 11:

CzdTz

dt= ∑ Q

iNsl

i=1 + ∑ hiAi(Tsi-TZ)Nsuperfícies

i=1+ ∑ mi Cp(Tzi-Tz)+minf Cp(T∞-Ts)

Nzonas

i=1 +Qsis (11)

Onde:

CzdTz

dt – Energia armazenada no ar [W]

∑ QiNsl

i=1 – Ganhos internos convectivos [W]

∑ hiAi(Tsi-TZ)Nsuperfícies

i=1 – Transferência de calor convectivo pela envolvente [W]

∑ mi Cp(Tzi-Tz)Nzonas

i=1 – Transferência de calor por mistura de ar entre zonas [W]

minf Cp(T∞-Ts) – Transferência de calor por infiltração [W]

Qsis – Carga térmica do sistema AVAC [W]



Figura 5: Etapas de simulação em EnergyPlus - Adaptado de Mateus (2012) [56]

3.5. Simulação Dinâmica de Fluídos

A simulação dinâmica de fluídos é um tema bastante complexo e estudado por grandes nomes da

ciência moderna. Desde a antiga Grécia, com Arquimedes, passando por Leonardo Da Vinci e

Isaac Newton, o escoamento de fluidos tem sido alvo de investigação constante. As equações de

Navier-Stokes são a base desta mecânica de fluídos. Nos anos ‘60 e ‘70, a simulação de fluidos teve

um importante avanço ao serem determinados códigos numéricos para quantificar as equações

descritas anteriormente. Nos dias de hoje, existem diversos softwares de simulação dinâmica de

fluidos e na presente dissertação utilizou-se o PHOENICS.

3.5.1. PHOENICS

O programa PHOENICS foi utilizado ao longo deste estudo com o objetivo determinar coeficientes

de descarga efetuando simulações dinâmicas de fluidos. Este software de simulação existe desde

1981 e desde então tem sido base de diversos estudos realizados por engenheiros, arquitetos,

professores universitários, etc. Este programa utiliza análise numérica e algoritmos de CFD para

analisar o escoamento de um fluido e como esta atua à volta de um certo corpo [57]. O conceito de

CFD é baseado nas equações de Navier-Stokes, que relaciona temperatura, velocidade, pressão e

densidade. Esta ferramenta de simulação é dividida em três processos diferentes: pré-

processamento, simulação e pós-processamento. Na primeira fase, é desenhado e caracterizado o

modelo e define-se ainda outras variáveis, como o modelo de turbulência, o número de iterações e a

grid. Durante a fase da simulação, o modelo é processado com recurso a modelos de turbulência

previamente implementados no programa. Por fim, no pós-processamento, é possível visualizar os

resultados obtidos. A principal característica desta ferramenta é a sua capacidade de simular



escoamentos laminares e turbulentos, compressíveis ou incompressíveis, estacionários ou

transientes.

O CFD tem várias aplicações, tais como transferência de calor em processos industriais (caldeiras,

equipamentos de combustão, bombas), aerodinâmica de veículos (térreos, aéreos e marítimos) e

ventilação de edifícios.



Capítulo 4 – Casos de Estudo

As medições foram efetuadas em três locais diferentes: creche “Centro Infantil Maria de

Monserrate”, denominada Creche Areeiro, sala da Universidade de Lisboa (piso 2 do edifício C2) e

creche “Algodão Doce”, designada Creche Telheiras. As três primeiras secções deste capítulo

descrevem os edifícios em estudo, mais especificamente as salas onde se efetuaram as medições.

Na secção 4.4 é descrito o procedimento experimental utilizado na determinação da emissividade

dos simuladores humanos (cilindros) utilizados no decorrer dos ensaios. Na secção 4.5 são

apresentados os procedimentos de medição e os instrumentos utilizados. Por fim, na última secção

são descritas as configurações experimentais consideradas.

4.1. Creche Areeiro

A creche Areeiro (CA) é um edifício de dois pisos, situado na zona urbana de Lisboa. Esta foi

construída em 2013 e apresenta uma área total de 680m2 e um pé direito de 3m. Devido à

necessidade de manter baixos custos de operação, a creche não apresenta nenhum sistema de

arrefecimento instalado e é ventilada naturalmente. A Figura 6 apresenta o interior e o exterior da

creche, onde é possível observar a configuração do sistema de ventilação natural. A imagem da

esquerda faz referência à grelha de admissão, que permite a entrada de ar do exterior, e às chaminés

que fazem a extração do ar interior. A imagem à direita mostra a sala de atividades onde

decorreram os ensaios, com os cilindros com libertação de calor e CO2 constante, que simulam

ocupação real.

Figura 6: Vista interior, exterior configuração do sistema de medição da creche do Areeiro

Esta creche apresenta uma boa inércia térmica, pois as paredes são compostas por betão com

isolamento exterior (os detalhes da construção estão descritos na Tabela 2). Para além disso, possui

palas solares e vidros duplos de baixa emissividade (U=3.1W/m2.K; gvidro=0.6) de forma a controlar

os ganhos solares diretos.

Para edifícios deste tipo o Regulamento de Desempenho Energético dos Edifícios de Comércio e

Serviços (RECS) [58] obriga a instalação de um sistema de aquecimento. Este edifício possui um

radiador hidráulico, localizado junto à grelha de admissão de ar, que é alimentado por uma bomba

de calor. Porém, este encontrou-se desligado durante as medições efetuadas.



Tabela 2: Propriedades dos materiais construtivos da Creche Areeiro

Material

Espessura

(m)

Condutividade

(W/m.K)

Densidade

(Kg/m3)

Calor

Especifico

(J/Kg.K)

Envolvente

Vertical

Exterior

Exterior Reboco 0.01 1.3 2000 653

Polistireno

(XPS) 0.08 0.04 40 2200

Interior Betão armado 0.13 2.3 2300 900

Envolvente

Vertical

Interior

Exterior

Interior

Gesso

cartonado 0.025 0.25 900 1090

Espaço de ar 0.05 0.03 1.16 1007

Lã de rocha 0.07 0.04 40 840

Gesso

cartonado 0.025 0.25 900 1090

Cobertura

Horizontal

Exterior

Exterior

Interior

Placas

metálicas 0.01 15.1 8055 480

Lã de rocha 0.1 0.04 150 840

Espaço de ar 0.05 0.03 1.16 1007

Painel lã de

rocha em teto

de gesso

cartonado

0.065 0.04 40 840

Cobertura

Horizontal

Interior

Exterior

Interior

Painel lã de

rocha em teto

de gesso

cartonado

0.065 0.04 40 840

Espaço de ar 0.05 0.03 1.16 1007

Laje de betão

alveolar 0.2 2.3 1375 400

Pavimento

Exterior Solo 1.70 1.14 1000 1282

Enrocamento 0.25 1.20 1000 800

Interior Betão armado 0.2 2.3 2240 400

Grelha de

admissão

de ar

Alumínio 0.02 160.00 2800 2800



Na creche Areeiro foram consideradas duas salas distintas para efetuar as medições:

Sala CA0, localizada no piso 0 do edifício e possui uma chaminé de 4m de altura;

Sala CA1, localizada no piso 1, com uma chaminé de 1m de altura.

Ambas as salas são orientadas a Noroeste. A Figura 7 apresenta as dimensões da sala e a disposição

dos sensores. Em ambos os casos, para determinar o caudal de CO2, colocaram-se sensores junto à

grelha de admissão, na entrada de ar e dentro da chaminé. Para determinar os perfis verticais de

temperatura e CO2 foi instalada uma coluna vertical com sensores de temperatura e CO2 (apenas

temperatura para o caso CA0). A disposição dos simuladores é ilustrada na Figura 7. Nos casos de

apenas uma pluma (CA1_1_1P e CA1_2_1P), esta encontra-se na posição 1 (centro da sala),

agrupando todos os simuladores.

Figura 7: Esquema das medições efetuadas na Creche Areeiro

As medições efetuadas na creche Areeiro apresentam dois objetivos principais:

Analisar o desempenho do sistema DV, através da variação do número de plumas, área de

abertura da entrada de ar e da altura da chaminé;

Validar a capacidade do EnergyPlus para simular sistemas DV, com o modelo DV de três-

nós implementado no seu código.

4.2. Universidade de Lisboa

A segunda sala de aula onde foram efetuadas as medições localiza-se no piso 2 do edifico C2 da

Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa (UL). Na Figura 8 é possível ter uma vista aérea

da sala de aula, bem como duas vistas interiores com a disposição dos simuladores.



Figura 8: Vista aérea e interior da sala de aula da Universidade de Lisboa

O edifício onde se insere esta sala de aula foi construído nos anos 80, com uma base de betão

armado, sem isolamento e vidros simples. Possui ainda sombreamento exterior em forma de pala,

evitando ganhos solares diretos. Na Tabela 3, são apresentadas todas as camadas de construção

bem como os seus constituintes e as suas propriedades.

Tabela 3: Propriedades dos materiais construtivos da Universidade de Lisboa

Material Espessura

(m)

Condutividade

(W/m.K)

Densidade

(Kg/m3)

Calor

Especifico

(J/Kg.K)

Envolvente

Vertical

Exterior

Exterior

Tijolo 0.11 0.89 1920 790

Betão

armado 0.11 2.3 2450 900

Interior Reboco 0.015 1.15 1950 653

Envolvente

Vertical

Interior

Exterior

Interior

Reboco 0.015 1.15 900 1090

Tijolo 0.11 0.89 1920 790

Reboco 0.015 1.15 900 1090

Cobertura

Horizontal

Interior e

Exterior

Betão

armado 0.2 2.3 2240 400

Esta sala de aula tem como principal característica a má qualidade de ar interior. Não possui

ventilação mecânica e os níveis de ventilação natural são muito baixos, devido à não abertura das

janelas, dado que o edifício localiza-se perto do aeroporto (ruído é elevado). Durante os períodos

de aulas, a concentração de CO2 atinge frequentemente valores acima de 2000ppm. Na tentativa de

solucionar este problema foi instalada uma janela basculante no topo da sala (imagem central da

Figura 8). Esta janela em conjunto com uma entrada de ar a nível baixo, na porta de entrada, cria

um sistema de deslocamento vertical de ar. O ar novo provém do corredor, que está constantemente

em contacto com o ar exterior.

Na Figura 9, são referidas as dimensões da sala e o esquema das medições efetuadas. Nestes

ensaios registou-se novamente a temperatura vertical no centro da sala. Sensores de temperatura e

CO2 foram colocados na entrada e saída de ar. A disposição dos simuladores está representada na

Figura 9.



Figura 9: Esquema das medições efetuadas na Universidade de Lisboa

O caso UL tem como único objetivo examinar a capacidade do software de simulação térmica para

simular sistemas DV. Como no caso anterior, esta validação vai ser realizada com o modelo DV de

três-nós implementado no código do EnergyPlus. O caso UL não consta no capítulo dos resultados

experimentais porque apenas se variou a área efetiva de abertura, resultado já estudado na creche

Areeiro.

4.3. Creche Telheiras

A creche Telheiras (CT) é um edifício semelhante à creche Areeiro. Ambas as construções foram

desenvolvidas no mesmo período e a sua base de edificação é bastante similar. Contrariamente à

creche Areeiro, a creche Telheiras é constituída apenas por um piso. Esta escola apresenta uma área

de 615m2 e um pé direito de 3m.

O sistema de ventilação natural utilizado na creche Telheiras é similar ao que foi descrito na creche

Areeiro, ou seja, com uma grelha de admissão que permite a entrada do ar novo e chaminés

térmicas para extrair o ar contaminado. A Figura 10 apresenta a configuração deste sistema,

nomeadamente a grelha de uma forma mais detalhada. À esquerda tem-se a vista do pátio da

creche, enquanto à direita é visível o interior da sala e a disposição do radiador face à grelha de

admissão. No meio da figura está representada a grelha, que é ajustável manualmente, permitindo

controlar a entrada de ar exterior.

Figura 10: Vista do pátio, interior e grelha de admissão da creche Telheiras



Ambas as creches apresentam as mesmas soluções construtivas (disponível na Tabela 2) tendo

ambas uma boa inércia térmica. A creche Telheiras e a creche Areeiro possuem ainda

sombreamento exterior (imagem à esquerda da Figura 10).

Esta escola tem como único objetivo avaliar o desempenho do sistema de ventilação natural

instalado. Assim, foram consideradas duas salas de atividades e o corredor. As salas de atividades

têm a mesma dimensão, são orientadas a Este (ganhos solares idênticos), têm uma capacidade até

12 crianças e possuem o mesmo sistema de ventilação natural DV. O corredor está em contacto

constante com o ar exterior, visto que a porta principal de entrada está situada nesta divisão.

Durante o período total de medição, registaram-se os seguintes parâmetros:

Sala de atividades 1 (SA1): Temperatura interior e concentração de CO2;

Sala de atividades 2 (SA2): Temperatura interior;

Corredor: Temperatura interior.

O período total de ensaios foi de seis semanas e dividiu-se da seguinte forma:

Semanas 1&2: 18 Abril – 1 Maio;

Semanas 3&4: 16 Maio – 29 Maio;

Semanas 5&6: 30 Maio – 12 Junho.

Os ensaios na SA1 e no corredor decorreram durante as seis semanas. Enquanto na SA2 apenas se

registaram valores nas semanas 5&6. Os sensores foram colocados fora do alcance das crianças e

em locais distantes da atividade dos professores e funcionários.

Esta creche, apesar de possuir um sistema de ventilação natural DV, não foi simulada em

EnergyPlus. O objetivo principal desta dissertação é analisar a capacidade deste software para

modelar sistemas DV, dado que não existem estudos de validação destes sistemas com esta

ferramenta computacional. Para além disso, a competência do EnergyPlus a simular edifícios a

longo prazo já foi comprovada cientificamente em diversos estudos [59][60].

Determinação da Emissividade dos Cilindros

Durante os ensaios, a ocupação das salas foi simulada através de cilindros com libertação de calor e

CO2 constante. Estes simuladores são compostos por três lâmpadas de 30W, perfazendo um total de

90W. As três lâmpadas são distribuídas uniformemente no interior do cilindro, juntamente com

poliestireno extrudido (XPS), de forma que as lâmpadas nunca contactam com a superfície interior

do mesmo.

Com o intuito de determinar a emissividade dos cilindros realizou-se um ensaio numa sala sem

ventilação mecânica e sem ganhos internos adicionais. Colocou-se o cilindro na horizontal e após a

estabilização das temperaturas, registou-se a temperatura superficial do cilindro e a temperatura

ambiente, com sensores termopares tipo T, ligados diretamente a um data logger (Campbell

Scientific: CR1000), que regista a temperatura a cada minuto. A temperatura foi medida em nove

pontos diferentes do simulador. A média das temperaturas do cilindro ditou a temperatura final do

mesmo.



Com o objetivo de determinar a emissividade do simulador, recorreu-se à seguinte expressão [35]:

q=qconv+qrad=hA(Ts-T∞)+εAσ(Ts4-Tsur

4 ) (12)

Onde:

q – Fluxo total de calor [W]

h - Coeficiente de transferência de calor por convecção [W/m2K]

A – Área do cilindro [m2]

Ts – Temperatura do cilindro [K]

T∞ – Temperatura do ar exterior à camada limite [K]

ε – Emissividade do cilindro

σ – Constante de Stefan-Boltzmann, 5.67×10-8 [W/m2.K]

As equações 12 e 13 representam o método da determinação do coeficiente de transferência de

calor de um cilindro por convecção [35]:

𝑁𝑢𝐷 =ℎ𝐷

𝑘 (13)

𝑁𝑢𝐷 = {0.6 +0.387𝑅𝑎𝐷

1/6

[1+(0.599/𝑃𝑟)9/16]8/27}2

(14)

Onde:

NuD – Número de Nusselt

D- Diâmetro do cilindro [m]

k – Condutividade térmica do ar [W/m.K]

RaD – Número de Rayleigh

Pr – Número de Prandtl

Por fim, determinou-se a emissividade dos cilindros, obtendo-se um valor final de 0.35.

4.4. Monitorização dos Edifícios

Nas medições efetuadas para os casos CA e UL foram medidos os principais parâmetros que

permitem examinar em detalhe um sistema de deslocamento vertical de ar e comparar resultados

das medições com os das simulações, nomeadamente: temperatura vertical do ar, o caudal de



ventilação natural e a altura neutra. Os ensaios da creche Telheiras têm apenas o objetivo de

analisar o desempenho do sistema de ventilação natural. Para isso, mediram-se apenas os

indicadores que permitem avaliar a eficiência deste sistema e o seu impacto nas condições no

interior da sala.

Na CA e na UL não se utilizou ocupação humana. A ocupação foi simulada através de cilindros

com libertação de calor e de CO2 constante (0,19l/s por ocupante). O caudal de ventilação natural

foi determinado quando o sistema atingiu o equilíbrio e pode ser determinado através da equação

15 [61], onde o CO2 foi utilizado como traçador [62].

F (m3/s)=CO2Debitado

(mg/s)

[CO2Out]-[CO2In

](mg/m3) (15)

A Tabela 4 mostra as especificações dos instrumentos de medição utilizados. Esta inclui os

sensores de CO2, temperatura e os sensores da estação meteorológica, que contêm sensores de

temperatura, humidade, velocidade e direção do vento e ainda a radiação global, difusa e direta.

A estação meteorológica está localizada no campus solar da Faculdade de Ciências. Os dados

recolhidos têm um intervalo de dez minutos. Estes são posteriormente colocados no ficheiro

climático do EnergyPlus, como será explicado futuramente neste documento.

Tabela 4: Especificações dos instrumentos de medição utilizados

Sensor Medição Especificações

Lufft (Weather Station 500)

Temperatura Alcance -50 – 60ºC

Precisão ± 0,2ºC

Humidade relativa Alcance 0 – 100% HR

Precisão ± 2% HR

Direção do vento Alcance 0 – 359.9º

Precisão ± 3º

Velocidade do

vento

Alcance 0 – 60m/s

Precisão ± 0.3 m/s

EKO

Instruments

(MS-802

Pyranometer)

Radiação Global

Horizontal

Alcance 0 – 4000 W/m2

Precisão ± 2 W/m2

Radiação Difusa

Horizontal


Precisão ± 2 W/m2

(MS-56

Pyranometer)

Radiação Direta

Normal


Precisão ± 1 W/m2

CO2 Meter (K-33 ELG)

Dióxido de

Carbono (indoor)

Alcance 0 – 10000 ppm

Precisão ± 30ppm ou ± 3%

Temperatura

(indoor)

Alcance -40 – 60ºC

Precisão ± 0.4ºC at 25ºC

Hobo (U12-013) Temperatura Alcance

Precisão

-20 – 70ºC

+- 0.35ºC

Telair (7001) CO2 Alcance

Precisão

0 – 4000 ppm

± 50 ppm ou ± 5%



Thermocouple omega (T-type) Temperatura Alcance

Precisão

-17.8 – 93.6ºC

± 1ºC ou 0.75%

4.5. Configurações das Medições

Inicialmente, efetuaram-se sete medições (cinco na creche Areeiro e duas na UL). Estas incluem a

variação do número de plumas térmicas, ganhos internos por fonte de calor e ainda áreas de

abertura da entrada de ar. Na Tabela 5 é apresentado um resumo de todas as configurações em cada

medição.

Para a determinação do valor do A* recorreu-se à equação 9.

Tabela 5: Casos CA e UL

Casos Nº de

plumas W/pluma

Área de abertura

(%) A*

Ain Aout

Creche

Areeiro

CA0_1_5P 5 400 100 100 0.07

CA1_1_5P 5 400 100 100 0.07

CA1_2_5P 5 400 50 100 0.06

CA1_1_1P 1 2000 100 100 0.07

CA1_2_1P 1 2000 50 100 0.06

Sala de aula

UL

UL_1_6P 6 308 100 50 0.09

UL_2_6P 6 308 50 50 0.07

Na creche Telheiras registaram-se valores de temperatura interior em três divisões e de CO2 apenas

numa sala. Durante os ensaios, a abertura da chaminé esteve totalmente aberta em ambas as salas.

Na SA1 a grelha de admissão de ar esteve sempre fechada, incluindo os períodos de ocupação. Na

SA2 definiu-se uma área de abertura da grelha de 50%. Esta configuração manteve-se durante o

período total dos ensaios, incluindo os períodos não ocupados. Logo, verifica-se o efeito da

abertura da grelha de admissão de ar na temperatura interior da sala. As duas salas de atividades

possuem sombreamento exterior controlado manualmente e este pode ter sido utilizado pelos

ocupantes para reduzir os ganhos solares diretos.



Capítulo 5 – Resultados Experimentais

Neste capítulo vão ser discutidos os resultados obtidos das medições efetuadas na creche Areeiro e

na creche Telheiras separadamente.

5.1. Creche Areeiro

Na creche Areeiro é discutida a influência do A*, a variação do número de plumas e altura da

chaminé na temperatura interior das salas e na posição da altura neutra.

Primeiramente é discutido o impacto do A* na temperatura interior e na altura neutra. Comparando

os casos CA1_1_5P e CA1_2_5P observa-se (Figura 11 à esquerda) que ao reduzir 50% da área de

abertura da grelha de admissão (redução de 15% do A*) a temperatura interior da sala aumenta.

Este resultado vai de encontro com o esperado, visto que uma redução da área de abertura conduz a

uma diminuição do A*, que por sua vez leva a um decréscimo do caudal de entrada. Analisando a

imagem à direita da Figura 11 conclui-se que uma diminuição do caudal de entrada significa

também uma menor altura neutra, comprovando a equação 7.

Figura 11: Impacto do A* na temperatura interior e na altura neutra

Na Figura 12 é discutida a influência do número de plumas térmicas na temperatura interior e na

altura neutra. Ao aumentar o número de plumas, de uma (CA1_1_1P) para cinco (CA1_1_5P), é

notória a redução da temperatura interior da sala (imagem à esquerda). Um aumento do número de

plumas conduz assim a um incremento do caudal. Na altura neutra (imagem à direita) observa-se

que a diminuição do número de plumas leva a um aumento da altura neutra, confirmando a equação

8.



Figura 12: Impacto do número de plumas na temperatura interior e na altura neutra

Na Figura 11 e na Figura 12 é evidente a influência das trocas radiativas (na camada misturada) nos

perfis de temperatura quando comparados aos perfis de CO2. Por consequente, determinar a altura

neutra examinando visualmente estes perfis não é o método mais apropriado e pode, por vezes,

induzir em erro. Modelos analíticos validados são desta forma uma fonte fidedigna de

determinação deste importante parâmetro.

A Figura 13 mostra a comparação da temperatura interior entre a sala do piso 0 (CA0_1_5P) e do

piso 1 (CA1_1_5P), onde é evidente o resultado da variação da altura da chaminé térmica. Como

esperado, uma altura da chaminé superior (4m no caso CA0) aumenta o caudal de ar na sala,

através do efeito chaminé, que resulta numa temperatura interior mais baixa. Estes resultados estão

de acordo com os obtidos por Krausse et al. (2007) [63], que ao analisar o efeito da ventilação

natural numa biblioteca conclui que os pisos superiores do edifício estão mais quentes devido ao

menor efeito chaminé. Em 2000, Khedari et al. [64] também comprovou que o uso de chaminés

reduz a temperatura interior dos edifícios.

Figura 13: Impacto da altura da chaminé na temperatura interior



5.2. Creche Telheiras

Na creche Telheiras as medições efetuadas têm como principal objetivo avaliar o desempenho do

sistema de ventilação natural. Para isso, os perfis de temperatura interior e a concentração de CO2

são determinantes para esta análise.

Nas duas primeiras semanas registaram-se valores de temperatura interior da SA1 (azul) e do

Corredor (azul escuro), temperatura exterior (laranja) e concentração de CO2 na SA1 (cinzento). A

Figura 14 faz referência ao perfil dos parâmetros medidos. Tanto a SA1 como o corredor mantêm

sempre temperaturas inferiores a 25ºC, mesmo quando a temperatura exterior atinge valores

próximos dos 30ºC. Estes valores estão de acordo com os estabelecidos pela norma Europeia EN

15251 [66] para creches (19ºC-26ºC). A qualidade do ar interior é boa e apenas por quatro vezes

ultrapassa os 1400ppm, o que corresponde somente a quarenta minutos acima deste valor, uma vez

que os dados recolhidos têm um intervalo de dez minutos. Segundo o RECS, a média de oito horas

consecutivas da concentração de CO2 não deve exceder 1625ppm [58][67], o que nunca se verifica.

Figura 14: Resultados de duas semanas de medição na creche Telheiras

Na Figura 15 observa-se os resultados obtidos nos ensaios realizados nas semanas 3&4 e 5&6.

Apenas foi adicionado um parâmetro (temperatura da SA 2 – azul claro) relativamente à Figura 14.

Os resultados revelam que o sistema de ventilação tem a capacidade de:

Manter a temperatura interior dentro dos limites de conforto, segundo a norma EN 15251,

mesmo com temperaturas exteriores acima dos 30ºC;

Fornecer magnitudes de caudal suficientes para não ultrapassar os limites estabelecidos

pelo regulamento RECS.

Como o esperado, quando os ocupantes começam a sua atividade a concentração de CO2 e a

temperatura interior começam a aumentar e só se verifica uma diminuição destes valores no final



do dia de trabalho. A configuração para a grelha da SA2 revelou ser eficiente, dado que a

temperatura desta sala encontra-se inferior à SA1 e ao Corredor em cerca de 0.45ºC e 0.61ºC

respetivamente.

Figura 15: Resultados de um mês de medição na creche Telheiras



Capítulo 6 – Simulação Dinâmica - EnergyPlus

Como foi referido anteriormente, as simulações foram realizadas utilizando o software EnergyPlus.

As simulações térmicas apenas foram efetuadas para os casos da creche Areeiro e da UL, pois

foram as únicas escolas onde se registaram perfis verticais de temperatura e CO2, de forma a

validar a capacidade da ferramenta computacional para determinar nós de temperatura em sistemas

DV.

Inicialmente, foram definidas as zonas térmicas para cada caso. Para os três modelos (CA0, CA1 e

UL) consideraram-se duas zonas térmicas: sala de atividades e chaminé térmica (Figura 16), para a

creche Areeiro; sala de aula e corredor (Figura 17) para a UL, visto que o ar introduzido na sala

provém diretamente do corredor. Na creche Areeiro e na UL as duas zonas térmicas estão

separadas por uma abertura horizontal virtual. Esta abertura é desenhada como um vidro, com

elevados valores de condutividade térmica e transmissão solar, e tem como principal característica

estar sempre aberta. Na UL registou-se a temperatura proveniente do corredor para o interior da

sala e foi criada uma folha de cálculo (.csv) onde se introduziu estas temperaturas. No EnergyPlus,

esta folha de cálculo foi importada através do comando “Schedule: File”. Posteriormente esta folha

de cálculo impõe a temperatura de entrada do ar na sala.

Figura 16: Zona térmica e respetivo modelo geométrico da Creche Areeiro



Figura 17: Zona térmica e respetivo modelo geométrico da Universidade de Lisboa.

Para modelar a distribuição solar foi utilizada a aproximação “Full Interior and Exterior”. Esta

aproximação calcula a quantidade de radiação solar que atinge todas as superfícies da zona

simulada, tendo ainda em conta os efeitos de sombreamento exterior, como palas ou obstruções.

Para aproximar as simulações da realidade criou-se um ficheiro climático, baseado nos dados

meteorológicos registados durante o período das medições. O EPW (EnergyPlus Weather) é o

ficheiro climático aceite pela ferramenta de simulação. Tendo como base o ficheiro climático

disponibilizado pelo EnergyPlus [68], introduziram-se os dados registados pela estação

meteorológica da Faculdade de Ciências. O EPW solicita valores de temperatura ambiente,

radiação difusa horizontal, radiação direta normal, humidade relativa, direção e velocidade do

vento. A descrição dos materiais da envolvente (espessura, condutividade, densidade e calor

especifico) foi inserida no programa, bem como a ordem construtiva dos mesmos.

A ocupação, esquematizada com cilindros com libertação de calor e CO2 constante, foi simulada

tendo em conta a sua potência e a fração radiante. Nos casos de apenas uma pluma térmica

(CA1_1_1P e CA1_2_1P) somam-se os ganhos de todos os simuladores para modelar a ocupação.

O EnergyPlus considera por defeito que o ar do compartimento está totalmente misturado e através

do comando “Room Air Model Type” é selecionado o modelo DV implementado no programa, de

forma à temperatura ser modelada em três nós. Posteriormente, na opção “Room Air Settings”

define-se o número de plumas por ocupante.

De modo a simular a ventilação natural foi utilizado o modelo Airflow Network [69]. Este modelo

permite simular, para várias zonas, o caudal de ar gerado pelo efeito do vento ou pelo efeito

térmico. No primeiro caso, é possível definir manualmente os coeficientes de pressão ou gerar os

mesmo para um edifício isolado. No entanto, os edifícios em estudo encontram-se num ambiente

urbano e rodeados por outros edifícios, o que resulta numa redução da velocidade do vento.

Durante as medições, verificou-se ainda que a velocidade média do vento foi sempre inferior a

0.5m/s. Este efeito combinado com a configuração das aberturas (desenhadas para reduzir o efeito

do vento) faz com que o efeito do vento seja insignificante, sendo apenas o efeito térmico

considerado nas simulações. O coeficiente de descarga é uma das características mais importantes a



definir no modelo Airflow Network. Este coeficiente afeta diretamente o caudal de ar que atravessa

a abertura. No caso da sala de aula da UL, a janela instalada é comercializada e por isso assumiu-se

um valor de 0.6 para o seu coeficiente de descarga (cd) [70]. A creche Areeiro possui um sistema

complexo de entrada (grelha de admissão e radiador) e saída (chaminé térmica com placas

perfuradas) de ar que não vai de encontro aos valores tabelados. Assim, foram realizadas

simulações de CFD para determinar o coeficiente de descarga de ambas as aberturas. A

metodologia deste processo e os resultados obtidos encontram-se na secção 6.2.

6.1. Modelo DV de três-nós

De acordo com Mateus et al. [23], para modelar corretamente a estratificação do ar em espaços

com sistemas de deslocamento vertical de ar são necessários, pelo menos, três-nós de temperatura.

Nesta dissertação, o modelo utilizado [23] considera o ar perfeitamente misturado em cada um dos

nós e uma variação linear de temperatura entre nós. Os três nós usados são (Figura 18):

TAf – representa a temperatura média na zona perto do chão (0.1m).

TOC – caracteriza a temperatura média na zona ocupada (0.7m para ocupantes sentados e

0.9m para ocupantes em pé).

TMX – representa a região isotérmica acima dos ocupantes, até ao teto, e determina a

temperatura do ar na saída.

Figura 18: Modelo DV de três-nós

Os autores deste modelo [23] utilizam as seguintes equações de conservação de energia para o

cálculo dos três nós:

𝜌CpFTin+IMρCpFTOC+Afhf(Tf-TAf)=(1+IM)ρCpFTAf (16)



(1+IM)ρCpFTAf − IMρCpFTOC+FMOFGCG+Awlhwl(Twl-TOC)=ρCpFTOC (17)

ρCpFTOC+FGCG(1-FMO)+Achc(Tc-TMX)+Awuhwu(Twu-TMX)=ρCpFTMX (18)

Onde:

F – Caudal de ar [m3/s]

IM – Percentagem de mistura entre o ar de

entrada e o ar da sala, 0.6

Af – Área do pavimento [m2]

hf – Coeficiente de transferência de calor do

pavimento [W/mK]

Tf – Temperatura do pavimento [ºC]

FMO – Fração de ganhos convectivos na zona

ocupada, 0.4

FGC – Fração de ganhos convectivos

G – Ganhos internos totais [W]

Awl – Área inferior das paredes laterais [m2]

Ac – Área da cobertura [m2]

Awu – Área superior das paredes laterais [m2]

Para o cálculo das trocas radiativas entre superfícies, os autores [23] consideram ainda as seguintes

equações:

hc(Tc-TMX)+hrc (Tc-TfAf+TwlAwl+TwuAwu

At-Ac) =

FGRG

At (19)

hf(Tf-TAf)+hrf (Tf-TcAc+TwlAwl+TwuAwu

At-Af) =

FGRG

At (20)

hwl(Twl-TOC)+hrwl (Twl-TcAc+TfAf+TwuAwu

At-Awl) =

FGRG

At (21)

hwu(Twu-TMX)+hrwu (Twu-TcAc+TfAf+TwlAwl

At-Awu) =

FGRG

At (22)

Onde:

hc – Coeficiente de transferência de calor da

cobertura [W/mK]

hwu – Coeficiente de transferência de calor da

cobertura [W/mK]

hwl – Coeficiente de transferência de calor da

cobertura [W/mK]

Tc – Temperatura da cobertura [ºC]

Twl – Temperatura da parte inferior das

paredes [ºC]

Twu – Temperatura da parte superior das

paredes [ºC]

TMX – Temperatura do nó da camada

misturada [ºC]

TOC – Temperatura do nó da zona ocupada

[ºC]

TAf – Temperatura do nó perto do pavimento

[ºC]

At – Área total de todas as superfícies [ºC]

hrc – Coeficiente de transferência de calor

radiativo da cobertura [W/mK]

hrf – Coeficiente de transferência de calor

radiativo do pavimento [W/mK]



hrwl – Coeficiente de transferência de calor

radiativo da parte inferior das paredes

[W/mK]

hrwl – Coeficiente de transferência de calor

radiativo da parte superior das paredes

[W/mK]

FGR – Fração de ganhos radiativos

De forma a validar o software EnergyPlus as sete equações anteriores (Equação 16 – 22) foram

implementadas no código da ferramenta de simulação térmica.

6.2. Determinação do Coeficiente de descarga

Nesta secção, são apresentadas simulações de CFD, com o objetivo de determinar os coeficientes

de descarga da grelha de admissão e da chaminé térmica da creche Areeiro. Este sistema DV

(grelha e chaminé), possui um mecanismo particular e complexo que requere um estudo mais

detalhado de forma a obter resultados mais realísticos.

Devido à natureza destas simulações, não foi considerado o efeito térmico, apenas o efeito do

vento. Os sistemas de configuração da entrada e da saída foram simulados separadamente. O

modelo de turbulência utilizado foi o standard k-ε e o número de iterações foram 5000 em todas as

simulações.

A Figura 19, no lado esquerdo, mostra a geometria utilizada nas simulações da grelha de admissão

de ar. O desenho da entrada inclui também o radiador, junto à grelha, que influencia diretamente a

passagem do ar. Considerou-se um domínio de 26.4m3 (3.3m×4m×2m) e definiu-se, à entrada, uma

janela (outlet) com pressão de 20Pa, de forma a definir a sentido de passagem do ar. O resto do

domínio foi definido como paredes (plates) de modo a evitar admissão ou extração de ar. Por fim, o

PHOENICS tem uma constante (R1) como output, que fornece o valor do caudal. Para confirmar o

valor dado pelo programa, multiplicou-se a velocidade (m/s) na entrada pela área (m2) respetiva e

pela densidade (kg/m3) do ar, obtendo um caudal mássico (Kg/s).

Figura 19: Difusor – geometria e resultados CFD

A metodologia descrita anteriormente também se aplica para a determinação do coeficiente de

descarga da chaminé térmica. Do lado esquerdo da Figura 20, é apresentada a geometria. Neste



caso o domínio possui um volume total de 144m3 (6m×6m×4m) e a câmara onde se encontra a

chaminé térmica tem um volume de 4m3 (2m×2m×1m). A chaminé tem um raio de 0.15m e 1m de

altura. Esta no topo contém uma placa opaca (distância em z=0.1m) e em redor da chaminé

encontram-se placas perfuradas (permeabilidade de 15% e com um raio 0.19m), modeladas com a

opção do software “CIBSE perforated plates”. Na entrada de ar foi novamente definida uma outlet

com uma pressão de 20Pa.

Figura 20: Chaminé - geometria e resultados

Devido à complexidade das geometrias apresentadas, os desenhos da grelha de admissão de ar e da

chaminé térmica foram produzidos num software em separado. Para essa finalidade utilizou-se o

Autocad Civil 3D, e as geometrias foram exportados para o PHOENICS (com a extensão .stl).

Assim, o coeficiente de descarga foi calculado através da equação 23 [71]:

Cd=F

AAbertura×√2×ρ×∆P (23)

Onde:

Cd – Coeficiente de descarga

F – Caudal mássico [Kg/s]

ρ – Densidade do ar, 1.189 [kg/m3]

ΔP – Diferença de pressão, 20 [Pa]



Para ambos os casos foi feita uma análise de sensibilidade da rede, utilizando três níveis de

números de células. Desta forma, a Tabela 6 apresenta valores do coeficiente de descarga para

diferentes números de células e mostra ainda a independência dos resultados perante o refinamento

da grid.

Tabela 6: Análise da grid para determinação do coeficiente de descarga

Abertura Número de

células

Coeficiente de

descarga

Entrada

3.0x106 0.30

6.0x106 0.32

9.0x106 0.32

Saída

3.0x105 0.49

6.0x105 0.50

9.0x105 0.50



Capítulo 7 – Validação dos Resultados

Neste capítulo é apresentada a validação do EnergyPlus com base nos ensaios experimentais

(Tabela 5). As simulações são examinadas através da comparação dos seguintes parâmetros: caudal

(F), altura neutra (h) e temperatura dos três nós do modelo DV. As diferenças entre os resultados

medidos e os simulados para o caudal e para a altura neutra podem ser quantificadas através dos

seguintes indicadores:

Desvio médio (l/s) = Fsimulado- Fmedido (24)

Erro (%) = 100% × |Fsimulado- Fmedido

Fmedido| (25)

Desvio Médio (m) = hsimulado- hmedido (26)

Erro (%) = 100% × |hsimulado- hmedido

hmedido| (27)

Primeiramente relacionam-se os valores de caudal medidos com os simulados. Para este parâmetro

obteve-se um desvio médio de cerca de 10l/s e um erro médio de 16.7%. A comparação entre os

casos CA1_1_5P e CA0_1_5P (4m e 7m de efeito chaminé, respetivamente) mostra, como o

esperado, um aumento de 170% do caudal no caso da maior chaminé. Ao comparar os casos

CA1_1_5P e CA1_2_5P, seria de esperar um maior caudal no caso com maior valor de A*, o que

não se verifica nos resultados práticos, apenas nos simulados. Por outro lado, equiparando os casos

CA1_1_5P e CA1_1_1P observa-se uma equivalência dos valores medidos e, contrariamente ao

expectável, nos resultados simulados um aumento do número de plumas leva a uma redução do

caudal. No caso UL, uma redução de 28% do A* traduz-se numa redução do caudal na ordem dos

74%.

Tabela 7: Comparação entre caudal medido e simulado

Caso Fmedido (L/s) Fsimulado (L/s) Desvio médio (m) Erro (%)

CA0_1_5P 190 130 -60 31.6

CA1_1_5P 70 80 10 14.3

CA1_2_5P 80 63 -17 21.3

CA1_1_1P 70 87 17 24.3

CA1_2_1P 80 63 -17 21.3

UL_1_6P 199 196 -3 1.5

UL_2_6P 114 111 -3 2.6

Erro médio -10 16.7

Na altura neutra verifica-se um desvio médio de -0.08m, que é pouco significativo, enquanto o erro

médio é inferior a 12%, demostrando a validade do modelo utilizado para determinar este

parâmetro. Nos dois primeiros casos, um aumento na altura da chaminé leva a um aumento do

caudal e, consequentemente, da altura neutra, tanto nos resultados medidos como nos simulados.



Ao equiparar os casos CA1_1_5P e CA1_2_5P observa-se que o valor da altura neutra é

equivalente nos resultados medidos. Relativamente aos resultados simulados, existe uma redução

na posição da altura neutra no caso CA1_2_5P, indo de encontro com os resultados pretendidos.

Ainda na creche Areeiro, uma diminuição do número de plumas resulta num aumento significativo

da posição da altura neutra No caso UL, ao reduzir a área de abertura verifica-se uma diminuição

no valor da altura neutra como previsto.

Tabela 8: Comparação entre altura neutra medida e simulada

Caso hmedido (m) hsimulado (m) Desvio médio (m) Erro (%)

CA0_1_5P 1.1 1.0 -0.11 10.0

CA1_1_5P 0.8 0.7 -0.02 2.6

CA1_2_5P 0.8 0.6 -0.16 20.0

CA1_1_1P 1.5 1.5 0.05 3.4

CA1_2_1P 1.5 1.2 -0.31 20.1

UL_1_6P 1.1 1.0 -0.13 11.8

UL_2_6P 0.9 1.0 0.10 11.8

Erro médio -0.08 11.4

Na Figura 21 é feita a comparação entre os resultados medidos e os simulados. Para o caudal

obteve-se um coeficiente de correlação (R2) de 0.77, ao passo que para a altura neutra este

coeficiente assume um valor de 0.79. Estes resultados demonstram a correlação positiva existente

entre os resultados medidos e simulados para ambos os parâmetros.

Figura 21: Resultados da altura neutra e da taxa de renovação de ar: comparação entre medido e simulado

De modo a analisar a temperatura de cada nó recorre-se às seguintes expressões:

Diferença de Temperatura Média (ºC) = |Simulado - Medido| (28)

Desvio Médio (ºC) = Simulado – Medido (29)

Erro Médio (%) = |Simulado - Medido

Medido| (30)



A Tabela 9 faz referência aos valores médios de erro para os perfis de temperatura nos sete casos.

O erro médio é de 4%, o que corresponde a uma diferença de temperatura de 0.7ºC. O nó com

maior erro, TAF (8%), prevê temperaturas sempre abaixo dos valores registado nas medições. Este

problema foi previamente observado em diversos estudos de validação [23, 72]. Nos restantes nós,

TOC e TMX, o erro máximo é inferior a 6%, o que demonstra a validade do modelo.

Tabela 9: Comparação entre nós de temperatura medidos e simulados

Casos

Diferença de temperatura

(ºC) Desvio médio (ºC) Erro médio (%)

TAF TOC TMX TAF TOC TMX TAF TOC TMX

CA0_1_5P 1.4 1.0 0.2 -1.4 -1.0 -1.0 7.7 5.1 0.8

CA1_1_5P 1.2 1.0 0.3 -1.2 1.0 0.0 6.3 5.2 1.3

CA1_2_5P 2.3 0.8 0.4 -2.3 0.8 0.0 11.6 4.1 1.5

CA1_1_1P 1.8 0.1 0.4 -1.8 -0.1 0.0 11.7 0.3 1.9

CA1_2_1P 2.1 0.6 0.0 -2.1 0.6 0.0 12.1 3.2 0.1

UL_1_6P 0.5 0.1 0.4 -0.5 0.1 0.0 2.4 0.5 1.6

UL_2_6P 0.9 0.1 0.1 -0.9 -0.1 0.0 4.1 0.3 0.4

Média 1.4 0.5 0.2 -1.4 0.2 -0.1 8.0 2.7 1.1

A figura seguinte mostra a comparação dos perfis de temperatura medidos e dos simulados.

Figura 22: Resultados e comparação da temperatura nos três nós



7.1 Análise do Impacto do Coeficiente de Descarga

Os coeficientes de descarga para o sistema de ventilação natural da creche Areeiro, como foi dito

anteriormente, foram obtidos através de simulações CFD. Contudo, estas simulações são difíceis de

executar devido à especialização necessária e ao tempo consumido no processo. Nestes casos é

comum recorrer a valores tabelados. Esta secção tem como objetivo estudar o impacto da utilização

de valores tabelados de coeficientes de descarga na temperatura dos três nós do modelo DV. Para a

grelha de admissão foi considerado um cd de 0.5, obtido especificamente para grelhas [73]. Para a

chaminé térmica foi utilizado um valor de 0.52 (especifico para chaminés) [74].

Na Tabela 10 está representado o impacto de utilizar valores tabelados e ainda o seu erro associado

para cada nó.

Tabela 10: Análise do impacto do coeficiente de descarga no modelo DV de três-nós

Caso\Nó

Erro (%)

TAF TOC TMX

CFD Tabelado CFD Tabelado CFD Tabelado

CA0_1_5P 7.7 9.2 5.1 7.2 0.8 1.7

CA1_1_5P 6.3 11.9 5.2 3.1 1.3 5.7

CA1_2_5P 11.6 17.4 4.1 5 1.5 7.8

CA1_1_1P 11.7 19.3 0.3 10.2 1.9 6.6

CA1_2_1P 12.1 18.5 3.2 6.2 0.1 6.7

Erro médio

(%) 9.9 15.3 3.6 6.4 1.1 5.7

O impacto de utilizar valores tabelados é notório, dado que o erro associado a cada nó de

temperatura aumenta. O nó na zona perto do pavimento, TAF, é o que apresenta, novamente, um

erro mais elevado, aumentando de 9.9% para 15.3%. O efeito nos restantes nós é mais baixo, mas

notável. Estes resultados indicam que é possível usar valores tabelados de coeficientes de descarga

e obter erros médios inferiores a 10%.



Capítulo 8 – Conclusões

Esta dissertação apresenta um conjunto de resultados experimentais que permite validar a

ferramenta computacional EnergyPlus e avaliar o desempenho de sistemas de ventilação natural

DV em três escolas distintas.

O EnergyPlus foi utilizado para prever caudais e gradientes de temperatura vertical em três

diferentes salas de edifícios educacionais (uma creche e uma universidade) com diferentes sistemas

de ventilação natural (com e sem chaminé). Os resultados comparativos das medições efetuadas nas

duas salas da creche Areeiro demonstram que o aumento da altura da chaminé, de 1m para 4m, tem

um impacto positivo no desempenho do sistema de ventilação natural. Para o cenário de ganhos

internos considerados nos ensaios realizados (66W/m2), uma maior altura de chaminé resulta num

aumento do caudal de ar, cerca de 170%, e a temperatura na zona ocupada é reduzida em cerca de

1.2ºC. O impacto do parâmetro A* no desempenho deste sistema DV pode ser verificado pela

variação da área de abertura da grelha admissão de ar. Os resultados demostram que aumentar a

área de abertura (de 50% para 100%) conduz a uma diminuição inesperada de caudal e numa

redução expectável de temperatura da zona ocupada de acordo com os resultados experimentais.

Esta discrepância de resultados poderá dever-se, sobretudo, ao facto de os ensaios terem sido

realizados num edifício real onde não existe controlo sobre condições externas, contrariamente ao

que acontece em células teste. O desempenho de um sistema de ventilação natural DV também

depende do número de plumas térmicas. Para os mesmos ganhos internos, aumentar o número de

plumas, de uma para cinco, resulta numa diminuição da temperatura interior em cerca de 0.6ºC.

A validação dos resultados revela que o programa de simulação térmica utilizado é capaz de prever

o caudal de ventilação natural com um erro médio inferior a 17%, resultando num fator de

correlação (r2) de 0.77. O software demonstrou ainda capacidade de estimar a altura neutra com um

erro médio inferior a 12%. Para a temperatura vertical também foi obtida uma boa concordância

entre os resultados das medições e simulações: um erro médio de 4% em todos os nós, o que

corresponde a um desvio médio de 0.7ºC. A previsão com o maior desvio ocorre perto do

pavimento com um erro de 8%, enquanto os restantes nós têm um erro médio inferior a 3%. Deste

modo, o modelo de três-nós utilizado tem a capacidade de determinar o gradiente de temperatura e

a altura neutra em sistemas DV. Apesar da complexidade dos casos testados, sistema de ventilação

natural sem controlo das condições fronteira, as comparações entre os resultados obtidos e os

simulados demonstram a validação da ferramenta computacional EnergyPlus em simular sistemas

de ventilação natural por deslocamento vertical de ar induzidos pelo efeito térmico.

Os resultados obtidos na creche Telheiras revelam que o sistema de ventilação natural instalado

tem a capacidade de manter uma boa qualidade de ar interior e temperaturas dentro da zona de

conforto, de acordo com a legislação portuguesa (RECS) e a norma Europeia (EN 15251). Ao

examinar os resultados experimentais nesta creche conclui-se que a SA2 está mais fria que a SA1 e

que o Corredor em cerca de 0.45ºC e 0.61ºC respetivamente, indo de encontro com os resultados

esperados. Contudo estas medições apresentam algumas limitações, nomeadamente na

determinação do número de ocupantes no espaço e no modo como estes utilizam o sistema de

ventilação natural.

Dimensionar e projetar sistemas de ventilação natural é uma tarefa complexa, visto que existem

diversos fatores que influenciam o seu desempenho. Consequentemente, as ferramentas de

simulação térmica apresentam-se como fortes aliadas para complementar esta tarefa.



Perspetiva-se uma revisão e melhoria do balanço de energia e mistura de ar no nó junto ao

pavimento (TAf), dado que é onde se verificaram maiores desvios na previsão de temperatura. O

trabalho futuro poderá ainda passar pela realização de medições de longo termo em escolas com

sistema de ventilação natural DV, permitindo analisar o desempenho do sistema e verificar o

cumprimento dos limites de conforto impostos pela legislação em vigor ao longo do ano.



Referências Bibliográficas

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